综述：地质聚合物在地热和二氧化碳封存井完整性中的应用研究现状

本综述系统探讨了地质聚合物（Geopolymers）作为环保水泥替代材料在地热井和CO2封存（CCUS）中的突破性应用，重点解析其耐高温（>300°C）、抗化学腐蚀（CO2/H2S）及自修复特性，为碳中和目标下能源-环境交叉领域提供创新解决方案。

　　

地热井的挑战与材料需求

地热井的极端环境——高温（常超200°C）、高压及腐蚀性流体（含CO₂/H₂S）——对传统水泥构成严峻挑战。经典研究揭示，波特兰水泥在104-160°C会出现强度衰退现象，源于钙硅水合物（C-S-H）凝胶向结晶态转变。而纳米改性地质聚合物通过优化硅铝酸盐网络结构，展现出卓越的耐热稳定性，在300°C下仍能保持90%原始强度。

高温应用的地质聚合物创新

这类由飞灰/矿渣等工业副产品制备的无机聚合物，其三维网状结构赋予独特的性能优势：

• 机械性能：28天抗压强度达80MPa，远超API G级水泥标准

• 化学稳定性：在pH=2的酸性环境中质量损失<1%，而传统水泥7天即完全崩解

• 界面结合力：与钢套管粘结强度提高200%，有效防止气窜

最新进展中，添加氮化硼（BN）填料的复合体系更将热循环寿命延长至1000次以上，解决了地热井频繁启停导致的微环隙难题。

CO₂封存与矿物矿化协同机制

CO₂封存存在四种关键机制：

1. 构造封存：依赖低渗透盖层物理阻隔

2. 溶解封存：CO₂溶于地层水形成碳酸

3. 残余封存：毛细力捕获CO₂液滴

4. 矿物封存：CO₂与Ca/Mg/Fe硅酸盐反应生成稳定碳酸盐

冰岛CarbFix项目证实，玄武岩地层中CO₂矿化速率惊人——2年内转化率达95%。地质聚合物通过调控孔隙结构（孔径<50nm），既能延缓碳ic酸腐蚀，又为矿化反应提供活性位点。

技术瓶颈与未来方向

当前研究空白集中在：

• 原料标准化（飞灰成分波动影响性能）

• 长期耐久性数据（需开展20年加速老化实验）

• 智能响应材料开发（如温敏型自修复凝胶）

结论展望

地质聚合物技术正重塑地热-CCUS交叉领域：其"一材双效"特性既能保障井筒完整，又可促进CO₂矿化固定。随着纳米改性和原位监测技术的发展，这类低碳材料有望成为深部地热开发的"绿色铠甲"。